摘要：随着我国能源结构的转变和对低热值煤的综合利用，循环流化床机组在国内的装机容量与日俱增。本文以某330MW循环流化床机组为示例，分析了协调控制系统中直接能量平衡法在CFB机组应用的方法及特点，为进一步提高该类型机组协调控制品质奠定基础。
关键词：循环流化床；直接能量平衡；协调控制
1 示例机组
本文示例机组选取位于晋北地区的山西京玉发电有限责任公司2号机组，主要参数如下：
锅炉为上海锅炉厂有限公司设计制造的循环流化床锅炉，采用单锅筒自然循环、集中下降管、平衡通风、循环流化床燃烧方式、滚筒冷渣器排渣形式；后烟井内布置对流受热面，过热器采用两级喷水调节蒸汽温度，再热器采用以烟气挡板调节蒸汽温度为主、喷水装置调温为辅的调温方式。
汽轮机由北京汽轮电机有限责任公司生产。型式是亚临界、单轴、三缸双排汽、一次中间再热、冲动式、直接空冷凝汽式汽轮机。
发电机由北京汽轮电机有限责任公司生产，为三相隐极式同步发电机。
DCS系统为GE新华控制工程有限公司的XDPS-400e系统。
2 循环流化床机组负荷协调控制特性
火力发电机组协调控制系统以直接能量平衡或间接能量平衡控制方式为基础，将汽机、锅炉作为整体考虑，对机组功率和机前压力的有效控制，使之能够跟踪设定目标并保持稳定。协调控制系统既要满足机组快速负荷要求，又要维持主要运行参数稳定，是一项综合性较强、难度较大的工作，具备理论研究和应用实践的双重价值。
循环流化床锅炉（Circulating Fluidized Bed；CFB）与常规煤粉锅炉的主要区别在于燃烧系统。循环流化床锅炉采用流态化燃烧，炉内燃料湍流运动，燃料及脱硫剂多次循环。在协调控制上，基于CFB锅炉燃烧方式而造成的纯滞后、大惯性及多变量耦合的特性，协调控制系统多采用直接能量平衡控制方式，该控制方式中所需的主要信号是机组负荷、汽轮机首级压力、机前压力和汽包压力，调节输出为锅炉燃料量和汽轮机调门开度。
3直接能量平衡法
直接能量平衡控制方式（Direct Energy Balance；DEB）是将负荷与锅炉的热量信号相平衡，控制手段是通过调节送入锅炉炉膛的燃料量来满足机组负荷要求，调节器入口前将锅炉热量信号与汽机能量需求信号相比较，将汽轮机能量需求的信息直接通过对锅炉的燃料量进行控制，以达到能量平衡，满足负荷的适应性。
利用DEB控制能够保证在任何工况下，锅炉燃料输入和汽轮机能量的需要相匹配。该种控制方式实质上是以锅炉跟随为基础的协调控制，汽机负责控制机组负荷，同时以汽机能量需求作为锅炉负荷指令。不直接把燃料量作为锅炉燃烧的被调量，而是把燃料燃烧释放的热量作为燃烧被调量，因此不受煤种成分变化的影响。
3.1 直接能量平衡（DEB）
（1）能量平衡信号
（Ps为主蒸汽压力设定值；P1为汽轮机首级压力；PT为汽轮机的机前压力）
正比于汽机实际阀位开度，可代表实际阀位开度。DEB取汽机能量信号
作为能量需求信号，来调节锅炉运行参数指令。该信号精确反映汽机对锅炉的能量要求，且只反映控制系统外扰，不受锅炉内扰的影响，适用于任何工况。
（2）热量信号HR
（Cb为锅炉的蓄热系数；PD为锅炉汽包压力）
热量信号代表锅炉总的能量输入，可反应锅炉的蓄热情况。汽机第一级压力P1代表进入汽机的蒸汽流量，即锅炉能量的输出。
代表锅炉蓄热的动态变化。该热量信号代表单位时间内燃料燃烧传递给锅炉的热量。热量信号度量锅炉总的能量输入以及全部燃料的炉内放热，兼顾锅炉蓄能，因而它既适用于静态，也适用于动态，具有实时性。热量信号用作燃料控制系统的反馈，反映锅炉内扰，不反映汽轮机调门开度的变化。
（3）平衡原理
分别将能量信号和热量信号分别作为给定值和反馈量。
当能量达到平衡时，
。
当锅炉达到稳态时，
，故
，即 
。
DEB方法把影响汽机、锅炉系统的内扰、外扰有效的区分开来，使其相互独立，分别进行控制。将锅炉、汽机这一复杂的多变量控制系统转化为只有功率和主汽压的单变量控制系统，达到间接实现维持主汽压力的目的。在加快锅炉响应速度的同时，提升了系统调节品质和稳定裕度。
4示例应用
本示例协调控制系统设计原则是将汽机、锅炉作为整体考虑。通过预测提前量来提高机组负荷响应能力、抑制动态偏差；与能量平衡控制策略及各种非线性、方向闭锁等控制机理的有机结合，协调控制机组功率与机前压力，处理负荷要求与实际能力的平衡。在保证机组具备快速负荷响应能力的同时，维持机组主要运行参数的稳定。
4.1机组指令处理回路
机组指令处理回路是机组控制的前置部分，它接受操作员指令、AGC指令、一次调频指令和机组运行状态信号。根据机组运行状态和调节任务，对负荷指令进行处理使之与运行状态和负荷能力相适应。
4.2锅炉主控
在以锅炉跟随为基础的负荷协调控制方式（CCBF）下，锅炉主调节器输入是将机组指令为作为前馈信号，DEB信号与热量信号相比较。付调节器输入：主调输出作为燃料指令；燃料量作为反馈。
DEB信号： 
采用与汽机调阀开度成正比的信号 
作为锅炉负荷指令，式中微分项在动态过程中加强燃烧指令，以补偿机、炉之间对负荷要求响应速度差异。由于要求补偿的能量不仅与负荷变化量成正比，而且还与负荷水平成比例，所以微分项要乘以
。
根据试验数据，CFB锅炉给煤量扰动16-20分钟后主汽压力随之响应，风量扰动3-4分钟后主汽压力响应。因此，示范机组将负荷指令按比例作用于燃料指令，同时风量指令快速跟上，以提高机组变负荷能力。
4.3汽机主控
在以锅炉跟随为基础的负荷协调控制方式（CCBF）下，汽轮机调整功率，锅炉调整主汽压。控制器的设定值是由负荷指令的微分与经过惯性环节处理的负荷指令相加，再减去压力的偏差折算成的负荷偏差信号，再加上频率偏差折算成的负荷偏差信号形成的。在负荷指令后加入惯性环节，减缓了汽轮机的调节速度，从而避免汽轮机阀门开度的剧烈变化。控制器的反馈信号为机组负荷的实际值。设定值与实际值的偏差作为汽机主控制器的输入。
在CCBF方式下，汽轮机调节速度相对较快，循环流化床锅炉的响应较慢，在负荷变化的过程中，主蒸汽压力会有较大的波动。因此，在汽机主控中引入压力校正回路，当机前压力变化超过允许值时，通过调整主汽门来调整主汽压在允许范围内。
5结束语
直接能量平衡控制策略在示范机组协调控制系统中的应用，克服了循环流化床机组纯迟延，大惯性，强耦合，多煤种等问题，提高了循环流化床机组在各种工况下主蒸汽压力的调节品质，优化了协调控制系统的调节品质。对于循环流化床机组协调控制的研究和优化，将进一步提高机组综合自动控制水平，提升CFB机组运行的安全性、稳定性和经济性。
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论文作者:王海波
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/12/1
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